GPRS技術在尾礦庫遠程監測系統中的應用

摘 要:利用尾礦壩安全監測的自動化系統，實現實時監測監控是尾礦壩安全監測與管理的發展方向。在分析GPRS技術以及相關的TCP/IP技術的基礎上，從系統總體設計的角度闡述了基于GPRS分組數據網絡監控系統的設計，實現監控終端的軟硬件設計、監控中心的軟件設計、監控數據的采集與傳輸等。有助于礦山應急部門和相關單位進行實時監控、監視和預測尾礦的變化，為尾礦潰壩的應急指揮提供一種準確實時、成本低廉、全天候的監測手段。`

關鍵詞:通用分組無線業務;模數轉換;傳感器;數據采集;數據傳輸

中圖分類號:TN91972文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-197-04

Remote Monitoring System of Mine Tailings Dam Based on GPRS

HOU Qun

(School of Physics and Electronic Information Engineering，Jianghan University，Wuhan，430056，China)

Abstract:The remote monitoring system of mine tailings dam using GPRS is designed.The method of how to use MCS-51 system completes data collection is mentioned.The GPRS module-LT8030 can collect the monitoring information through GPRS wireless data transmission network to the Internet server.The new GPRS mobile data communication business principles and communication TCP/IP protocol are described.The paper focuses on the hardware how to achieve，while also providing the hardware circuit diagram and the first part of the flowchart software system.The system can provide the mine emergency department and a real-time monitoring method to watch and forecast the change of tailing dam.It is a cheap，credible and all day long system.

Keywords:GPRS;analog/digital converter;sensor;data collection;data transmission

0 引 言

金屬或非金屬礦山開采出的礦石，經選廠選出有價值的精礦后產生砂一樣的“廢渣”，叫做尾礦。尾礦庫是金屬與非金屬礦山安全生產的重要環節，也是該領域的重大危險源之一，作為具有高勢能的人造泥石流危險源，其一旦發生事故，將會給下游人民生命財產安全造成巨大損失，給當地環境造成嚴重污染，給當地的經濟發展和社會穩定也帶來嚴重的負面影響。尾礦庫的安全監測對于加強尾礦庫的安全監管，把握尾礦庫的安全現狀，減少尾礦庫的事故發生等具有重要意義。當前，我國尾礦庫安全運行的主要技術參數如壩體形變位移、庫水位、浸潤線埋深等，均由人工定期用傳統儀器到現場進行測量，安全監測工作量大、受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統誤差和人工誤差。同時，人工監測還存在不能及時監測尾礦庫的各項技術參數，難以及時掌握尾礦庫各項安全技術指標等缺點，這些都將影響尾礦庫的安全生產和安全管理水平。

1 系統的總體框圖

1.1 系統監測的參數

系統可以分別進行浸潤線監測、壩體內部變形監測、水位監測、降雨量監測。

1.2 系統框圖

在礦部控制中心內，配置GSM調制解調器1臺、監控主機1臺、管理主機1臺，管理主機內安裝信息管理軟件及數據分析軟件，監控主機內安裝數據采集軟件。前端采集設備通過公網到監控主機進行通訊，將所有傳感器的數據上傳到監控主機，管理主機對所有數據進行分析、管理，如圖1所示。

本設計系統是利用MCS-51單片機，通過溫度、位移、水位等傳感器采集的信號，經過模數轉換，將信息傳送到GPRS移動通信的基站。它通過移動網關實現GPRS無線網絡與Internet網互聯。GPRS移動網絡將數據或信息通過網關傳輸到互聯網，而后Internet基于IP協議，通過路由將數據包直接傳送到指定IP的礦部控制中心的監控主機上。網絡服務器接收到信息后及時顯示且將數據貯存到指定的數據庫文件中。

圖1 尾礦庫遠程監測系統框圖

2 系統通信的實現

2.1 建立系統通信的主要部件

(1) MCS-51系列單片機功能強，內存較大。

(2) GPRS模塊。系統采用利事達信息技術有限公司開發的GPRS模塊LT8030，采用標準的RS 232 接口，用戶可以通過單片機或其他CPU的UART口，使用相應的AT命令對模塊進行控制，達到輕松進入GPRS網絡的目的[3]。

(3) 服務器。建立SOCKET連接必須具有公網的IP地址，故應保證礦部控制中心計算機連接到Internet并且取得公網IP地址。在單片機對GPRS模塊控制之前，服務器端需運行SOCKET端口監聽程序，并且設為監聽狀態，端口號也要設定，例如port:1024。

2.2 系統通信的主要實現過程

(1) 通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPSR網絡上，獲得網絡運營商動態分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。

(2) 通過串口0擴展MAX232標準串口和外部控制器(例如數據采集端)連接，外部控制器端接出標準串口，按照約好的協議可很容易利用本設計的控制器進行通信[4]。

(3) 復用P1.2和P1.3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，通過軟件置位完成對MC35的初始化和控制GPRS模塊的收發數據。礦部控制中心的接收服務器支持兩種接入方式:一種是通過非對稱數字用戶線路(Asymmetrical Digital Subscriber Line，ADSL)/局域網(LAN)/公共交換電話網絡(Public Switched Telephone Network，PSTN)/ISDN(Integrated services digital network)直接接入Internet。此時，發送接收服務器的動態IP地址或固定IP地址。如果接收服務器處在局域網內，可以使用第二種接入方式——即通過支持SOCKET的代理服務器接入Internet。此時發送的將是代理服務器的公網IP地址。

3 系統硬件設計

系統硬件電路圖如圖2所示。

(1) AT89C52單片機是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含 8 KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 B的隨機存取數據存儲器(RAM)，器件采用美國Atmel公司的高密度、不易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C52提供了高性價比的解決方案。本設計采用11.059 2 MHz晶體振蕩器，通過定時器設置使之與GPRS模塊的通信頻率(9 600 Hz)一致[5]。

(2) ADC0809模數轉換芯片的數據采集。ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可與AT89C52單片機直接相連。ADC0809轉換器的片選信號右P2.7線選控制，其通道地址IN0~IN7分別為7FF8H~7FFFH。當單片機產生寫信號時，則由一個或非門產生轉換器的啟動信號START和地址鎖存信號ALE(高電平有效)，同時將地址總線送出的通道地址A，B，C鎖存，模擬量通過被選中的通道送到A/D轉換器，并在START下降沿時開始逐位轉換。當轉換結束時，轉換結束信號EOC變成高電平，經反相器后，可向CPU發中斷請求。當單片機產生讀信號時，則由一個或非門產生OE輸出允許信號(高電平有效)，將A/D轉換結果讀入單片機。

(3) GPRS模塊。設計中所采用的是LT8030 GPRS IP Modem。LT8030基于SIEMENS 的MC35 GPRS模塊，并且內嵌了完整的TCP/IP協議，為用戶提供更簡單的網絡接口。LT8030 采用的GPRS技術無縫覆蓋、永遠在線和按流量計費[6]。

LT8030內部包含兩個主要部分:IP部分和GPRS模塊。他們之間是串口連接(Serial 2)。用戶上位機與LT8030 也是串口連接(Serial 1)。這兩個串口連接可以進行獨立配置和操作， LT8030內嵌了完整的TCP/IP協議族，包括TCP，UDP，FTP，PPP，TELNET，HTTP，Web Server，SMTP，POP3等。內嵌的TCP/IP使LT8030有了訪問Internet的能力。

圖2 系統硬件電路圖

LT8030有兩種傳輸模式通過軟件切換。LT8030在處于不同的傳輸模式時，數據的流向也有所不同。當用戶使用AT指令集時，LT8030自動進入透明傳輸模式，用戶應用可以直接訪問GPRS模塊，用戶數據經過Serial 2直接進入GPRS 模塊;當用戶使用AT+i指令集時，LT8030自動進入非透明傳輸方式，用戶數據從Serial 1進入LT8030后，由IP部分打成TCP/IP包，再經Serial 2發送給GPRS 模塊，GPRS再包裝成GPRS數據包傳送到GPRS無線數據網關。在遠程終端，用戶數據被數據采集設備采集并處理后送入LT8030(通過AT+i命令接口)。

LT8030首先將數據打包成TCP/IP數據包，再轉換成GPRS數據包，通過無線鏈路傳送到無限數據交換中心(MDEC)。MDEC剝離GPRS數據包，并通過網關將TCP/IP數據包傳送到Internet。中心通過Socket套接字接受TCP/IP數據包，并把它還原成原始數據。當數據由中心到終端方向時，情況是一樣的[7]。

(4) LT8030的連接:單片機通過電平轉換電路MAX232與GPRS模塊連接，MAX232用于串行通信接口與RS 232通信接口之間的電平轉換。

4 軟件部分的設計

4.1 軟件實現流程

本系統的前端機的軟件設計采用C51編程，服務器監聽軟件是采用C語言編程，數據庫是采用微軟的Access數據庫。軟件實現首先是通過對整個硬件系統的初始化，然后進行數據的采集，并在數碼管中顯示出數據。最后通過AT指令，建立連接實現數據傳送[8]。

4.2 有關的GPRS AT指令介紹

(1) 基本設置

AT+IISP1=*99***1#

AT+IDNS1=211.136.18.171

AT+IUSRN=WAP

AT+IPWD=WAP

AT+IMIS=\"AT+CGDCONT=1，ip，CMNET\"

AT+IXRC=0

AT+IMTYP=2

(2) SOCKET設置

下面是建立一個TCP通訊的例子。

AT+ISTCPxxx.xxx.xxx.xxx，

//建立SOCKET連接， xxx.xxx.xxx.xxx為應用服務中心計算機端IP地址， 為端口號， 返回I/xxx，xxx為句柄號。成功后中心端會顯示已連接[9]。

AT+:ISSND%xxx，:

//發送數據，xxx為句柄，為要發送的字符長度，為要發送的數據。這時在中心端可看到終端發送的數據。

AT+ISSTxxx

//查詢Socket狀態，xxx為句柄。

返回I/。

如果≥0，為Buffer 里的字節數;如果<0，則Socket錯誤。

AT+ISRCVxxx

//接收中心發來的數據，xxx為句柄。在中心端輸入字符，回車后發送到終端的Buffer中，用此命令即刻接收。

AT+ISCLSxxx

//關閉Socket通道，xxx為句柄。

5 結 語

基于GPRS的尾礦庫的遠程監測系統的實現，是通過傳感器將數據轉化為電壓(0~5 V)傳輸到ADC0809中，進行采樣和量化，轉化為二進制數據，同時將數據貯存到單片機中，通過單片機通信串口傳輸給GPRS模塊，單片機通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網上，獲得網絡運營商動態分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務器之間建立連接，實現無線數據通信。該系統為尾礦潰壩的應急指揮提供一種準確實時、成本低廉、全天候的監測手段。

參考文獻

[1]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007.

[2]陳光軍.數據通信技術與應用[M].北京:北京郵電大學出版社，2005.

[3]李建華，徐國章，李宏海.GPRS在遠程監控系統中的應用.中國自動化學會全國第九屆自動化新技術學術交流會論文集[C].2004:75-78.

[4]周林，殷俠.數據采集與分析技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2005.

[5]王煜.移動IP移動性管理及與GPRS互通的研究[D].廣州:華南理工大學，2004.

[6]王曉蘭，任曉芳.基于GPRS的遠程監控系統集中器的設計[J].微計算機信息，2007，23(29):30-32.

[7]李秀紅，黃天戍，朱林，等.嵌入式Internet中GPRS和SMS技術的實現[J].電子科技大學學報，2007，36(4):763-766.

[8]林凱，宋茂忠.基于GPRS實現的遠程數據采集系統[J].儀器儀表用戶，2005(3):57-59.

[9]呂明，管先念，劉鵬，等.基于GPRS的地理信息系統應用研究.中國通信學會信息通信網絡技術委員會年會論文集[C].2003:91-94.